汽轮机安全监视系统TSI.doc

285TSI一一一概述汽轮机安全监视系统（TSI）是一种集保护和检测功能于一身的永久监视系统，是大型旋转机械必不可少的保护系统。TSI 可以对机组在起动、运行过程中的一些重要参数能可靠地进行监视和储存，它不仅能指示机组运行状态、记录输出信号、实现数值越限报警、出现危险信号时使机组自动停机，同时还能为故障诊断提供数据，因而广泛地应用于 3MW600MW 的各种汽轮发电机组上。一、汽轮机安全监视的内容汽机应监视和保护的项目随蒸汽参数的升高而增多，且随机组不一而各有差异，一般有以下一些参数：（1）轴向位移监视：连续监视推力盘到推力轴承的相对位置，以保证转子与静止部件间不发生摩擦，避免灾难性事故的发生。当轴向位移过大时，发出报警或停机信号。（2）差胀监视：连续检测转子相对于汽缸上某基准点（通常为推力轴承）的膨胀量，一般采用电涡流探头进行测量，也可用线性差动位移变送器（LVDT）进行测量。（3）缸胀监视：连续监测汽缸相对于基础上某一基准点（通常为滑销系统的绝对死点）的膨胀量。由于膨胀范围大，目前一般都采用 LVDT 进行缸胀监视。（4）零转速监视：连续监测转子的零转速状态。当转速低于某规定值时，报警继电器动作，以便投入盘车装置。（5）转速监视：连续监测转子的转速。当转速高于设定值时给出报警信号或停机信号。（6）振动监视：监视主轴相对于轴承座的相对振动和轴承座的绝对振动。（7）偏心度监视：连续监视偏心度的峰-峰值和瞬时值。转速为 1600r/min 时，主轴每转一圈测量一次偏心度峰-峰值，此值与键相脉冲同步。当转速低于 1r/min 时，机组不再盘车而停机，这时瞬时偏心度仪表的读数应最小，这就是最佳转子停车位置。（8）相位监视：采用相位计连续测量选定的输入振动信号的相位。输入信号取自键相信号和相对振动信号，经转换后供显示或记录。（9）阀位指示：连续指示调速汽门的动作位置。下表列出了一些应监视与保护的项目。汽轮机组安全监视与保护项目一览表项目名称主要功能项目名称主要功能1 转速显示、报警、保护、高值记忆、升速率13 危急遮断器电指示报警、动作转速记忆2862 零转速联锁14 转子热应力显示3 轴承盖振动显示、报警、保护15 油动机行程显示、报警4 轴振动显示、报警、保护16 同步器行程显示5 扭转振动显示17 高中压缸主汽门关闭 信号6 偏心度显示、越限闭锁18 主油箱油位显示7 轴向位移显示、报警、保护19 润滑油压显示、联锁、报警保护8 高压缸胀差显示、报警20 高压缸上下壁温差显示、报警9 中压缸胀差显示、报警21 汽缸进水报警10 低压缸胀差显示、报警22 凝汽器真空显示、联锁、报警、保护11高压缸（左右）热膨胀显示、两侧胀差大于定值报警 23 发电机故障保护12中压缸（左右）热膨胀显示、两侧胀差大于定值报警 24 油开关跳闸联锁二、几种典型TSI简介目前在中国市场上，有许多国内外厂家的 TSI 产品在机组上投入运行。其中，200MW 以上机组的 TSI 系统几乎完全被国外产品垄断，这些系统的引进始于 20 世纪 80年代，使用较多的产品有美国本特利（BN）公司的 7200 系列、3300 系列、3500 系列；德国菲利浦公司（后改为 EPRO）的 RMS700、EPRO MMS6000 系列；日本新川公司的VM-3、VM-5 系列等。国产设备仅在一些小容量机组上应用，主要有两种类型：一种是仿本特利早期产品7200或飞利浦RMS700的模拟分立式或组合式单元仪表，另一类是数采器加通用计算机的后台式监测认断系统，该类系统多由科研院所开发，一般并接在进口TSI系统的信号缓冲输出上，作为进口TSI系统的补充部分，仅具有数据采集、波形显示、计算分析等后台功能，不具有TSI必需的标准输出和监视保护功能。 1. 本特利 3500 系统本特利 3500 系统是目前我国大型机组上应用较为广泛，也是本特利公司最先进的TSI 系统。本特利 3500 系列仪表在使用过程中以其实验室级别的精度，组态调整的灵活性, 模件、前置放大器、探头的可替换性，安装后对细微偏差的可调整功能给调试、使用提供了很多方便。该系统具有以下主要技术特点：（1）单元模块化结构，安装于标准框架中，主要包括：电源模块、接口模块、键相模块、监测模块、通讯模块等。（2）各功能模块都有一颗单片微控制器（MCU） ，用于实现各模块的智能化功能，如组态设置、自诊断、信号测试、报警保护输出、数据通信等。（3）各模块间通过 RS232/RS422/RS485 总线和 MODBUS 协议进行数据通信，最高通信速率 115.2kbps。（4）可通过上位机的组态软件对各个模块进行组态设置，并下载到各个模块的非易失性存储器中。（5）双重冗余供电电源模块。287（6）支持带电拔插功能。本特利3500系统与本特利3300系统不同，它没有面板显示，其测量显示通过上位机显示或直接触发继电器模块输出，大部分内部设置都在软件中完成。本特利3500系统具有多种通信方式。调试过程中，可以用本特利公司提供的RS232通信接口直接与DCS系统连接，在DCS操作员站进行组态配置和参数显示。另外还有相对振动、轴位移、胀差等参数通过420mA信号送到DEH系统进行显示。3500监视系统软件主要有3个软件包：（1） 框架配置软件。主要包括框架配置、机架接口模件与主机端口测试实用程序、通信网关测试实用程序、框架配置教程、框架配置帮助等。（2） 数据采集DDE (动态数据交换) 服务器软件。主要包括数据采集DDE (动态数据交换) 服务器、软件配置实用程序、编辑元件实用程序、RIM (框架接口模件) 主机接口测试实用程序、数据采集显示教程。（3）操作员显示软件。主要包括监视器通道值的条形显示、机器链图和对应的数据值、趋势图、系统事件列表、现用的报警信号列表、报警信号列表。 2. EPRO MMS6000 系统MMS6000 系统是 EPRO 公司最先进的数字化智能型 TSI，该系统具有以下主要技术特点：（1）单元模块化结构，安装于 19“标准框架中，主要包括：轴振模块、轴承振动模块、轴位移/差胀模块、偏心模块、缸胀模块、通信接口模块等。（2）各监测模块均为双通道，内置一颗单片微控制器（MCU） ，实现模块自检、数据采集、数据通信、监测报警等功能。（3）通过 RS232/RS485 总线对模块进行软件组态设置和读取模块采集数据。（4）系统中 RS485 总线最多连接 31 个模块/62 个通道，数据通信速率最高为115.2kbps。（5）支持带电拔插功能。（6）双重冗余电源模块。 3. 日本新川 VM-5 系统VM-5 系统 TSI 系统是日本新川公司的智能型数字式 TSI 系统，它具有以下主要技术特点：（1）单元模块式结构，主要包括：轴振模块、瓦振模块、加速度模块、偏心模块、轴向位移模块、差胀模块、缸胀模块、转速模块、通讯/键相模块、继电器模块、电源模块等。（2）模块内置单片微处理器，具有自诊断功能（电源检查、传感器故障等） 。（3）面板上 LCD 显示功能，可显示测量值、报警值、间隙电压等。（4）通过内部跳线和 RS232/RS485 接口设置模块工作方式和参数。（5）通讯/键相模块可通过 RS232/RS485 接口与上位机通信，其他模块无通信接口；数据通信速率最高为 19.2kbps。（6）双重冗余电源模块。 4. 国内的 TSI 产品288我国涡流式保护仪表的研制开发起步较晚，从 1976 年起，上海发电设备成套设计研究所、航天部 608 所、清华大学等一批科研院所、大学开始从事这方面的研究工作，从技术上逐步形成了 2 个系列，即以上海发电设备成套设计研究所为代表的调幅式涡流传感器和以清华大学为代表的调频式涡流传感器，这 2 个系列各具优缺点：调幅式传感器特点是线性特性好、线性范围大，但稳定性略差；而调频式传感器的特点恰恰相反。从1984 年开始，上海发电设备成套设计研究所对涡流式位移传感器进行了大量研究工作，把调幅式传感器的线性范围大和调频式传感器稳定性好的特点结合起来，提出了采用调频调幅式的检测方式，比较圆满地综合了调频式和调幅式 2 种类型检测的优点，使得国产的涡流传感器上了一个新台阶，并已陆续投入工业运行，用户普遍反映良好。以涡流式传感器为主要检测元件所组成的 RD 系列单件仪表已有 400 多套在全国投运。由于制造工艺上的差距，外国公司的 TSI 产品在安全性、可靠性、先进性、通用性等方面感觉上优于国内的 TSI 产品，但也存在不足，如 TSI 采集的数据模式均不对外开放，无法被国内的各种诊断分析软件利用，TSI 只起了基本的监视保护作用，浪费了系统资源；模块种类较多，导致备件品种繁多，成本高且供应周期较长；各功能模块与上位机之间的数据通信采用的较为落后的 RS485 总线，数据传输速率较低，除本特利 3500 外，其余 TSI 的各模块之间难以组成网络化的监视保护系统。国内厂家生产的 TSI 产品在价格上则有较大优势，如国外产品价格一般按每通道约合人民币 2000050000 元，而国内产品约在 500010000 元之间。因此应根据具体情况合理地选用 TSI 产品。四、TSI 系统监测的基本参数1. 振动参数 它包括下述五个方面：（1）振幅可用来表示位移、速度或加速度，是一种强弱程度的标志。使用趋近式探头测量以获取振动振幅的精确数据。虽然机壳测量被尝试用于“高频”振动，需要着重指出的是机器功能失灵的绝大多数都发生在低频区（通常小于四倍的转速） 。单项的高频测量仅占机器评估时间的一个小百分点。（2）频率振动的频率通常被表示为机器转速的倍数形式。这主要取决于机器转速在几倍频或几倍频情况下机器振动频率的趋向。机器振动频率可简单表示为 1x、2x、3x、4x 等等。（3）相角利用一个键相位移传感器，获取轴的相位参数信号。相位角为脉冲前沿到振动的第一个正向峰值之间的角度。当转子通过振动输入传感器时，其振动的第一个正向峰值是与转子的最高点相吻合的。通过确定这些至高点的位置，就能够确定转子平衡条件和不平衡偏差的位置。同时，相角对确定转子平衡谐振转数位置也很有价值。（4）振动形式是分析振动数据的关键。振动形式是指其自身的固有振动形式，可在示波器上显示出来。并可分别采用直角坐标图示或极坐标图示，以便帮助运行人员了解转子的运动情况与状态。此外，基本参数如振幅、频率和相位角都可从振动形式图象中确定。289（5）振动模式监测机组的任何一对 XY 探头可提供转子在某特定位置的运动情况。再利用另一对探头监测机组不同位置，就能确定转子固有模型，以便帮助我们更准确地估算转子与静止部件间的轴向间隙，并估算出转轴的节点位置。机壳监测和轴或转子的测量方法类似，同样可利用振幅、频率、相角，振动形式和模式等参数描绘。除了了解转子运转情况，掌握机壳状态对分析整个系统也是同等重要的。诸如结构件、管件的谐振，基础的松散或断裂及外振源位置都可利用机器非旋转件的测量确定。在对机器机械性能的综合分析里，机壳的监测是不可忽视的。 2. 位置测量它包括下述五个方面：（1）偏心位置用于测量轴颈轴承处轴的稳态位置。该种测量是对轴承磨损和因预应力严重出现不对中的最佳指示标志。（2）轴向位移测量的是推力环到推力轴承的相对位置。测量的目的是为了保证转子与静止部件间不发生摩擦，以避免灾难性事故发生。（3）低转速偏心它指的是转子工作间歇时的弯曲量。此弯曲量可通过转子低转速转动时，前置器上直流峰值的缓慢变化显示。如果峰值在一个可接受的低水平范围变动，机器就可启动，不必担心密封损伤或因存在弯曲量而引起的摩擦或不平衡。（4）胀差指转子与机壳之间，由于热膨胀量不一致所引起的膨胀之差值。它的存在将使机组发生轴向摩擦、导致恶性事故。因此，为了保证胀差在定范围之内，在机组末端与止推轴承间相对安装了一趋近式探头，用以监测转子与机壳的轴向间隙。（5）机壳膨胀机壳的膨胀测量是对于机组，提供基础与机壳相对胀差的数据。掌握了机壳的膨胀量和胀差就能够断定转子和机壳哪一个膨胀率高。如果机壳膨胀不当， “滑脚”可能被阻塞。3. 其它参数（1）速度转子的速度的测量，长久以来已成为一项必须进行的标准程序。振动测量值与转速的相关性对最终分析机组性能十分重要。（2）温度现已愈来愈重视轴向和径向轴承的温度变化。工作过程的温度数据可提供不少有意义的信息，振动或位置测量值与温度信息的相关程度有助于我们对可能发生的机器失灵做出更明确的判断指示。（3）相关影响机器运转的温度、压力、流量和其它参数的相关程度对分析整个系统极为重要。利用相关性，可建立完善的预保养程序。2904. 早期轴断裂监测大量的经验性试验和现场情况记录表明，在轴断裂的监测方面，最好的标志是观察转子一倍频或二倍频时振动向量的变化。可接受区域是指矢量所能允许的变化范围，具体描述可用最大、最小振幅边界和最大、最小相角边界。倍频和二倍频振动矢量的相关程度及低速旋转弯曲矢量，对于确定引起矢量变化的起因是很必要的。原因有可能是不对称轴裂造成，也不能排除由于负载、电源、蒸汽条件或其它运行参数的变动，引起了矢量变化。第二节 TSI 的基本组成与工作原理一、TSI 的基本组成无论是国产的 TSI，还是进口的 TSI；无论是由分立元件构成的 TSI，还是由集成电路组成的 TSI，或者是由微处理器芯片构成的 TSI 系统，从结构与组成的角度分析，它们均可由下图所示的三部分描绘：TSI 的结构原理图传感器系统将机械量（如转速，轴位移，差胀，缸胀，振动和偏心等）转换成电参数（频率 f，电感 L，品质因素 Q，阻抗 Z 等） ，传感器输出的电参数信号经过现场连线送到监测系统，由监测系统转换为测量参数进行显示、记录及相关的信息处理。二、TSI 的工作原理传感器和信号转换器框图目前应用广泛的传感器有：电涡流传感器，电感式速度传感器，电感式线性差动变压器和磁阻式测速传感器等等。对于应用得最多的电涡流传感器系统来说，它由探头、接长电缆和前置器组成。前置器具有一个电子线路，它可以产生一个低功率无线电频率信号（RF） ，这一 RF 信号，由延伸电缆送到探头端部里面的线圈上，在探头端部的周围都有这一 RF 信号。如果在这一信号的范围之内，没有导体材料，则释放到这一范围内的能量都会回到探头。如果有导体材料的表面接近于探头顶部，则 RF 信号在导体表面会形传感器振荡器检波器滤波器放大器线性 输出网络 放大-24V输出前置器传感器系统现场连线信息处理与显示器（信号转换器）功能键LCDLED测试仪记录仪报警器监测系统291成小的电涡流。这一电涡流使得这一 RF 信号有能量损失。该损失大小是可以测量的。导体表面距离探头顶部越近，其能量损失越大。传感器系统可以利用这一能量损失产生一个输出电压，该电压正比于所测间隙。前置器由高频振荡器、检波器、滤波器、直流放大器、线性网络及输出放大器等组成，检波器将高频信号解调成直流电压信号，此信号经低通滤波器将高频的残余波除去，再经直流放大器，线性补偿电路和输出放大处理后，在输出端得到与被测物体和传感器之间的实际距离成比例的电压信号。前置器（信号转换器）的额定输出电压为 -4-20V（线性区） 。监测系统又称为框架，一个框架由三部分组成：电源、系统监测器和监测表。电源为装在框架内的监测表及相应的传感器提供规定的电源，电源总被放在框架的第一位置；系统检测器检验供电水平以确保系统正常运行，同时，它还具有控制系统“OK”的功能。“OK” （正常工作）表明系统的传感器及现场接线是在规定的水平上进行。系统检测器 也控制报警点的设置和系统复位。系统检测器总被放在框架的第二位置；监测表不仅可以显示传感器系统是否正常运行，还可以指示传感器的测量值，并在越限时报警。第三节 传感器系统TSI 系统主要由传感器及智能板件组成。传感器是将机械振动量、位移、转速转换为电量的机电转换装置。根据传感器的性能和测试对象的要求，可利用电涡流传感器，对汽轮机组的转速、偏心、轴位移、轴振动、胀差进行测量，如 BN 公司的8mm、11mm、25mm、50mm 传感器，EPRO 公司的 PR6423、PR6424、PR6426 传感器；利用速度传感器对盖振进行测量，如 BN 公司的 9200 传感器，EPRO 公司的 PR9268 传感器；利用线性可变差动变压器（LVDT）对热膨胀进行测量，如国产的 TD-2 传感器，EPRO 公司的 PR9350 传感器。另外，还可利用差动式磁感应传感器来测量机组的转速，如 EPRO 公司的 PR9376 传感器。 1. 电涡流传感器电涡流传感器是通过传感器端部线圈与被测物体（导电体）间的间隙变化来测物体的振动相对位移量和静位移的，它与被测物之间没有直接的机械接触，具有很宽的使用频率范围（从 010Hz） 。涡流传感器的简图如图 19-4 所示。电涡流传感器的变换原理简要介绍如下：在传感器的端部有一线圈，线圈通以频率较高（一般为 1MHz2MHz）的交变电压，当线圈平面靠近某一导体面时，由于线圈磁通链穿过导体，使导体的表面层感应出一涡流 ie，而 ie 所形成的磁通链又穿过原线圈，这样原线圈与涡流“线圈”形成了有一定耦合的互感，最终原线圈反馈一等效电感。而耦合系数的大小又与二者之间的距离及导体的材料有关，当材料给定时，耦合系数 K1与距离 d 有关，K= K1（d） ，292当距离 d 增加，耦合减弱，K1值减小，使等效电感增加，因此，测定等效电感的变化，也就间接测定 d 的变化。 图 19-4 涡流传感器原理简图 由于传感器反馈回的电感电压是有一定频率（载波频率）的调幅信号，需检波后，才能得到间隙随时间变化的电压波形。即根据以上原理所述，为实现电涡流位移测量，必须有一个专用的测量路线。这一测量路线（称之为前置器）应包括具有一定频率的稳定的震荡器和一个检波电路等。从前置器输出的电压 Vd是正比于间隙 d 的电压，它可分两部分：一为直流电压 Vde，对应于平均间隙（或初始间隙） ，一为交流电压 Vac，对应于振动间隙。 2. 速度传感器 它的工作原理是基于一个惯性质量和移动壳体，传感器有一个永久磁铁，它被固定在传感器壳体上。围绕着磁铁是一个惯性质量线圈，通过弹簧连在壳体上。测量时，将传感器刚性固定在被测物体上，随着被测物振动，磁铁运动，使其产生磁场运动。而线圈因固定在弹簧上，具有较大的惯性质量，即相对高频振动的物体，其是相对静止的。这样，线圈在磁场中作直线运动，产生感应电动势，其大小与线圈运动的线速度（即：机壳的速度）成正比。通过对感应电动势的检测，即能获得被测物体的线速度。如右图所示。 速度传感器简图 3. LVDT 传感器其工作原理是利用电磁感应中的互感现象，实质上就是一个变压器，如图 19-6 所示。变压器上初级线圈 W 和两个参数完全相同的次级线圈 W1，W2组成，线圈中心扦入圆柱形铁心，次级线圈 W1和 W2反极性串联，当初级线圈 W 加上交变电压时，次级 W1和W2分别产生感应电势 e1和 e2，其大小与铁心位置有关。图 19-6 LVDT 原理简图 4. 差动式磁感应传感器差动式磁感应传感器的工作原理是利用一个差动式敏感元件。该元件由一块永久性磁铁上的两个相互串联的磁敏半导体电阻组成（这两个半导体的材料及几何尺寸相同） 。293在传感器电路中，这两个电阻组成一个差动电感电桥（如惠斯顿电桥） 。当磁铁或钢的触发体接近或远离传感器且相互成直角（即传感器探头表面磁铁所产生的磁场与触发体边沿成直角）时，它干扰了传感器内部的磁场，使差动电感电桥失去平衡而输出一电压。通过对这一电压测量，即能获得被测物（即触发体）与传感器探头间的间隙变化。在 TSI 测量实际应用中，我们一般用该磁感应传感器测量机组转速，就是通过测量探头与测速齿盘轮间的高、低电压变化所形成脉冲信号的数量，来得到实际转速值。5. 智能板件各种测量板件接受相应传感器的电量信号后进行整形、计算、逻辑处理等以后，显示出精确、直观的监测数据和报警指示。输出标准的模拟量信号和继电器接点。智能板件可对传感器联线和自身的运行情况进行检测，具有计算机通讯接口，可对测量范围和逻辑输出进行组态，具有缓冲传感器信号输出等功能。对于重要的测量可进行冗余的配置，增强了可靠性。一一一测点及传感器安装位置一、600MW机组TSI的测点布置600MW 机组的测点配置及传感器安装位置见图 19-7 所示。294二、传感器安装位置图图 19-7 600MW 汽轮机汽轮机 TSI 测点图测点图2951. 转速及零转速机器转速的测量，长期以来已成为一项必须进行的标准程序，转速值显示是汽轮机组开车、停车以及稳定运行时的重要参数，并且振动值与机器转速的相关性对最终分析机器性能十分重要。例如：在机器停车过程中，转速突然下降，会意味着机器内部存在着大面积的金属摩碰。而零转速是预先设定的轴旋转速度，当运行的机器需停车时，机器转速达到零转速设置点，继电器触点动作，使盘车齿轮啮合，使轴持续慢速旋转，来防止轴产生弯曲，以避免在接踵而来的开车中由于轴弯曲对机器造成损坏。测量装置由两只装于前箱正对 60（或 134）齿盘的传感器和板件组成，如图 19-8 所示当机器旋转时，齿盘的齿顶和齿底经过探头，探头将周期地改变输出信号，即脉冲信号，板件接收到此脉冲信号进行计数、显示，与设定值比较后，驱动继电器接点输出。转速的测量范围：05000rpm；零转速设定值：小于 4rpm；转速报警值：3240rpm。图 19-8 转速及零转速测量示意图 2. 超速保护对于蒸汽透平机组，超速是最危险的情况之一，如不加以控制，会造成机组重大的事故，导致飞车的危险。最坏的超速情况之一是机组甩负荷时，造成转速飞升。机组甩负荷时转速飞升应小于 108额定转速，否则应自动打闸停机。根据美国石油学会标准API612 要求，超速保护应具有快速响应和错误冗余表决逻辑，因此测量装置采用“三取二”方式，如图 19-9 所示。由三只装于前箱、正对于 60 齿盘的涡流传感器和三块转速表组成，设定值为 3300rpm。与转速测量同样的原理，转速值（脉冲频率/齿数）×60。各机组超速的测量范围：05000rpm。图 19-9 超速测量示意图2963. 轴振动对旋转机械来说，衡量其全面的机械情况，转子径向振动振幅，是一个最基本的指标，很多机械故障，包括转子不平衡、不对中、轴承磨损、转子裂纹以及磨擦等都可以根据振动的测量进行探测。转子是旋转机械的核心部件，旋转机械能否正常工作主要决定于转子能否正常运转。当然，转子的运动不是孤立的，它是通过轴承支承在轴承座及机壳与基础上，构成了转子支承系统。一般情况下，油膜轴承具有较大的轴承间隙。因此轴颈的相对振动比之轴承座的振动有显著的差别。特别是当支撑系统（轴承座、箱体及基础等）的刚度相对来说比较硬时（或者说机械阻抗较大） ，轴振动可以比轴承座振动大几倍到几十倍，由此，大多数振动故障都直接与转子运动有关。因此从转子运动中去监视和发现振动故障，比从轴承座或机壳的振动提取信息更为直接和有效。所以，目前轴振的测量越来越重要，轴振动的测量对机器故障诊断是非常有用的。例如，根据振动学原理，由 X、Y 方向振动合成可得到轴心轨迹。在测量轴振时，常常把涡流探头装在轴承壳上，探头与轴承壳变为一体，因此所测结果是轴相对于轴承壳的振动。由于轴在垂直方向与水平方向并没有必然的内在联系，亦即在垂直方向（Y 方向）的振动已经很大，而在水平方向（X 方向）的振动却可能是正常的，因此，在垂直与水平方向各装一个探头。由于水平中分面对安装的影响，实际上两个探头安装保证相互垂直即可，如图 19-10 所示。当传感器端部与转轴表面间隙变化时的传感器输出一个交流信号给板件，板件计算出间隙变化（即振动）峰-峰（P-P）值。机组轴振的测量范围：0400m；报警值：125m；停机值：250m。图 19-10 轴振测量示意图 4. 轴承振动（盖或瓦振）297图 19-11 盖振的测量示意图在轴振动的测量中已说明了大轴的振动可以传递到轴承壳上，利用速度传感器测量机壳相对于自由空间的运动速度，板件把从传感器来的速度信号进行检波和积分，变成位移值，并计算出相应的峰-峰值位置信号如图 19-11 所示。机组瓦振的测量范围：0100m。5. 偏心转子的偏心位置，也叫做轴的径向位置，是指转子在轴承中的径向平均位置，在转轴没有内部和外部负荷的正常运转情况下，转轴会在油压阻尼作用下，在设计确定的位置浮动，然而一旦机器承受一定的外部或内部的预加负荷，轴承内的轴颈就会出现偏心，其大小是由偏心度峰-峰值来表示，即轴弯曲正方向与负方向的极值之差。偏心的测量可用来作为轴承磨损，以及预加负荷状态（如不对中）的一种指示；转子偏心（在低转速时的弯曲）测量是在启动或停机过程中，必不可少的测量项目，它可使你能够看到由于受热或重力所引起的轴弯曲的幅度。偏心监测板接受两个涡流传感器信号输入，如图 19-13 所示。一个用于偏心的测量，另一个是键相器的测量，它用在峰-峰信号调节电路上。键相探头观察轴上的一个键槽，当轴每转一转时，就产生一个脉冲电压，这个脉冲可用来控制计算峰-峰值。当然，键相信号也可用来指示振动的相位，如图 19-12 所示。当知道了测振探头与键相探头的夹角时，就可找出不平衡质量的位置，即转子高点的位置。这对轴的平衡是很重要的。机组偏心的测量范围：0100m。报警值：大于原始值的30m。图 19-12 振动相位测量示意图298图 19-13 偏心测量示意图 6. 轴位移轴在运行中，由于各种因素，诸如载荷、温度等的变化会使轴在轴向有所移动。这样转子和定子之间有可能发生动静磨擦，所以需用传感器测量转子相对于定子轴向位置的变化，即：轴在轴向相对于止推轴承的间隙。由于所采用的监测器可能把传感器的失效作为轴向位移故障而发出报警信号，由此可能引起机组误停机。而根据 API670 标准要求，用两个探头同时探测一个对象，可以免发生误报警。但要求两个探头的安装位置离轴上止推法兰的距离应<305mm，如果过大，由于热膨胀的影响，所测到的间隙，不能反映轴上法兰与止推轴承之间的间隙。如图 19-14 所示，两个涡流探头测量转子的轴向变化，输出探头与被测法兰的间隙成正比的直流电压值，板件接受此电压值后，经过计算处理，显示出位移值。为避免误报警，停机逻辑输出为“与”逻辑。机组轴向位移的测量范围：-2+2mm。图 19-14 轴位移测量示意图 7. 胀差胀差是转子和汽缸之间的相对热增长，当热增长的差值超过允许间隙时，便可能产299生磨擦。在开机和停机过程中，由于转子与汽缸质量、热膨胀系数、热耗散系数的不同，转子的受热膨胀和汽缸的膨胀就不相同，实际上，转子的温度比汽缸温度上升得快，其热增长的差值如果超过允许的动静间隙公差，就会发生磨擦，从而可能造成事故。所以监视胀差值的目的，就是在产生磨擦之前采取必要的措施来保证机组的安全。另外，胀差测量如果范围较大，已超过探头的线性范围时，则可采用斜面式测量和补偿式测量方式。由于不图 19-15 胀差测量示意图可能在汽缸内安装涡流传感器，利用滑销系统，传感器被固定在轴承箱的平台上，测量示意见图 19-15 所示。 8. 热膨胀汽轮机在开机过程中由于受热使其汽缸膨胀，如果膨胀不均匀就会使汽缸变斜或翘起，这种变形会使汽缸与基础之间产生巨大的应力，由此带来不对中现象，而这种现象，通常是因为滑销系统“卡涩”所引起的。知道了汽缸膨胀和胀差，就可以确定转子和汽缸的膨胀率。把 LVDT 传感器的铁芯与汽缸连接，当膨胀时，铁芯运动，产生成比例的电信号，输入测量板件进行线性处理，显示输出 420mA 信号，测量示意图见图 19-16所示。图 19-16 热膨胀测量示意图第五节 3500 系统综述 300美国本特利公司的3500系统能提供连续、在线监测功能，适用于机械保护应用，并完全符合美国石油协会API670标准对该类系统的要求。它是本特利内华达采用传统框架形式的系统中功能最强、最灵活的系统，具有其它系统所不具备的多种性能和先进功能。该系统高度模块化的设计包括： 3500/05仪表框架（要求） 一或两个3500/15电源（要求）3500/20框架接口模块（要求）一或两个3500/25键相器模块（可选） 3500框架组态软件（要求） 一个或多个3500/XX监测器模块（要求） 一个或多个3500/32继电器模块或3500/34三重冗余继电器模块（可选） 一个或多个3500/92通讯网关模块（可选） 3500/93、3500/94或3500/95显示装置或运行于兼容PC机上的3500操作者显示软件（可选） 内部或外部本质安全栅，或用于危险地区安装的电绝缘装置。 （可选） 一、3500/05 框架3500 框架用于安装所有的监测器模块和框架电源。它为 3500 各个框架之间的互相通讯提供背板通讯，并为每个模块提供所要求的电源。3500 框架有两种尺寸：1. 全尺寸框架全尺寸3500框架可采用19”EIA导轨安装、面板安装或壁板安装形式。框架最左端是专为两个电源模块和一个框架接口模块预留的位置，框架中的其余14个插槽可以被监测器、显示模块、继电器模块、键相器模块和通讯网关模块的任意组合所占用。所有模块插入到框架的底板中，由前面板部分和框架后部相应的I/O模块组成。永久连线也在框架后部完成。框架深度是349mm，当要求防护或使用净化气体时，可以提供NEMA 4和4X防护罩。 2. 迷你型框架3500 框架还有一种迷你型（宽度是 12”而不是 19” ） ，但它只提供 7 个插槽，而不是14 个。与全尺寸框架一样，它的最左端插槽为电源和框架接口模块预留。迷你型框架可以采用面板安装或通过可选的连接板安装于 19”EIA 导轨中，它不能采用壁板安装形式。二、3500/15 电源模块3500 电源模块是半高度模块，必须安装在框架左边特殊设计的槽口内。它采用行噪声滤波做为标准形式。框架中可使用单电源或当电源不允许中断时使用冗余双电源，它们分别位于框架最左端插槽的上部和下部。冗余电源可以采用不同的电压源供电（交流或直流的任意组合） ，如主电源由 120V AC 电源供电，而备份电源由不间断 24V DC 电源供电。每个电源可以单独为整个框架及其模块供电。当采用冗余电源形式时，一个作为框架的主电源，另外一个作为备份，一旦主电源发生故障，备份电源立即自动行使主电源301模块功能，避免框架运行发生中断。 3500/15 电源模块具有自检功能，可以监测是否所有的输出电压符合规范，并通过电源模块前面板上的绿色“Supply OK”发光二极管（LED）显示出来。3500 电源能接受大范围的输入电压，并可把该输入电压转换成其它 3500 模块能接受的电压。对于 3500 的 TSI，有三种电源：交流电源、高压直流电源和低压直流电源。三、3500/20 框架接口模块框架接口模块（RIM）是 3500 框架与组态、显示和状态监测软件连接的主要接口。每个框架要求有一个 RIM，必须安装在与电源模块紧邻的框架插槽中。RIM 支持专有协议，该协议使用 3500 组态软件对框架进行组态，并提取框架数据和状态信息用于 3500 操作者显示软件。当本特利的状态监测软件与 3500 系统配合使用时，RIM 还通过专有的数据管理者协议连接到相应的外部通讯处理器，如 TDXnet、TDIX 或DDIX 等。对于三重模块冗余（TMR）应用，3500 系统要求 TMR 形式的 RIM。除了所有的标准 RIM 功能外，TMR RIM 还具有“监测器通道比较”功能。3500TMR 组态根据监测器选项中规定的设置执行监测表决。采用这种方法，TMR RIM 连续比较来自三个互为冗余监测器的输出。如果 TMR RIM 检测到其中一个监测器的信息与其它两个不相等（在设定的百分比之内） ，它将把监测器标记为错误状态，并且在系统事件列表中生成一个事件。RIM为其本身提供“自检”功能，同时，除了各个独立的监测器、继电器、通讯以及其它模块提供的监测功能以外，它也为框架提供“自检”功能。虽然RIM为整个框架提供一定的通用功能，但它并不是关键监测通道的组成部分，不影响整个3500系统的正确和正常运行或其机械保护功能。 RIM有四个前面板LED： · OK指示框架接口模块及其I/O模块工作正常。 · TX/RX当RIM与其它框架模块通讯时闪亮。 · TM指示框架处于报警倍增模式。 · CONFIG OK指示框架中的任一模块未被组态或组态错误；框架接口模块的预存组态与框架的物理组态不匹配；或不符合安全选项条件。RIM中包含系统OK继电器，由RIM自身以及框架中其它模块的NOT OK状态触发。RIM前面板上具有一个系统复位开关，可以清除系统中任何闭锁的报警以及闭锁的NOT OK状态。RIM的后面板上还提供一套接口，允许远程激活复位开关。系统组态除两级软件密码保护外，还受RIM前面板上钥匙锁的控制，以防止未授权的修改或随意改动。RIM可以通过前面板上的串行通讯端口与便携式计算机连接，现场修改组态。也可通过后面板上的串行通讯端口永久连接到组态工作站上，或通过可选的安装在RIM中的调制解调器与远程计算机相连。RIM提供前面板DIP开关，当多个3500框架通过网络互联时，可以赋予其唯一地址。 四、3500/25 改进的键相器模块3500/25 改进的键相器模块是一个半高度，2 通道模块，用来为 3500 框架中的监视器模块提供键相位信号。此模块接收来自电涡流传感器或电磁式传感器的输入信号，并转换此信号为数字键相位信号，该数字信号可指示何时转轴上的键相位标记通过键相位302探头。3500 机械保护系统可接收 4 个键相位信号。键相位信号是来自旋转轴或齿轮的每转一次或每转多次的脉冲信号，提供精确的时间测量。允许 3500 监测器模块和外部故障诊断设备用来测量诸如 1X 幅值和相位等向量参数。改进的键相器模块是更新和升级的 3500 系统模块。它扩展了键相位信号处理功能，同时保留了现有键相器在形式、功能方面完全的向下兼容性，可以用于已有的系统。当 TMR 的应用，要求有一个系统键相位信号输入时，3500 系统应安装两个键相器模块。当使用两个 3500/25 模块时，它们必须安装在同一个框架插槽中，一个位于另一个上部，两个模块以并联方式工作，同时提供基本的和辅助的两种键相位信号给框架中的其它模块。当键相位信号以并联方式与其它多种设备相连接并且需要与这些系统（如控制系统）绝缘时，将提供绝缘的键相器 I/O 模块。绝缘的 I/O 模块专门为电磁式传感器应用而设计，但当有外部电源时，它也可为电涡流传感器应用提供绝缘。该 I/O 模块主要用于测量轴转速，而不用于相位测量。当用于相位测量时，它将产生稍高于非绝缘 I/O 模块的相位漂移。五、3500/32 四通道继电器模块 3500/32四通道继电器模块是一个全高度的模块，它可提供四个DPDT继电器，组态后可以根据3500监测器模块内的报警状态触发。组态软件允许对各种报警组合编程，范围从单个通道的警告或危险状态到将两个或多个通道状态结合起来提供特定的AND（与）或 OR（或）表决的复杂的布尔逻辑。通过增加继电器模块的数量，可以提供每个通道的独立触点、报警类型和通道组的全球报警通知功能。任何数量的4通道继电器模块，都可放置在框架接口模块右边的任一个槽位里。继电器虽然不是3500系统要求的组件，但它是3500系统在自动停机应用时较合适的连接方式。模拟（如420 mA）和数字（如Modbus）连接只用于为运行人员发出通知和进行趋势分析，不能为高可靠性机械的停机提供必要的容错功能或完整性分析。框架中除所有报警继电器之外，还提供一个通用系统OK继电器 。该继电器位于RIM中，连接到框架所有模块的OK电路上。这些电路监测每个模块的运行状态。当模块及其传感器或相关的传感器现场连线发生任何故障时，OK继